逆向信号传导：线粒体应激信号塑造核内程序
线粒体通过逆向（从线粒体到细胞核）信号传导，将其状态和特定需求告知细胞核，使细胞能够根据营养可用性、代谢需求和应激条件（如改变的AMP/ATP比值、增加的活性氧（ROS）产生、降低的线粒体膜电位、线粒体钙超载、错误折叠的线粒体蛋白积累或mtDNA损伤）来调整核基因表达。研究最深入的线粒体逆向信号传导例子包括整合应激反应（ISR）和线粒体未折叠蛋白反应（UPRmt）。
ISR与DELE1-HRI轴
ISR是一个进化上保守的程序，介导对多种应激条件的适应，包括蛋白质稳态网络失衡、氧化应激、营养缺乏和病毒感染。ISR的主要目标是通过重编程转录和翻译来维持或重建细胞稳态。ISR通路中的应激感应由四种激酶完成：蛋白激酶RNA样内质网激酶（PERK）、一般性调控阻遏蛋白2激酶（GCN2）、蛋白激酶RNA激活（PKR）和血红素调节抑制物（HRI），它们汇聚于真核翻译起始因子eIF2α。这些激酶对eIF2α的磷酸化会减弱一般的mRNA翻译，并诱导含有短抑制性上游开放阅读框（5‘-UTRs）的特定mRNA优先翻译。
线粒体通过DELE1-HRI轴将扰动信息传递至胞质以诱导ISR。DELE1感知和传递线粒体应激的活性与其自身的线粒体输入和加工过程巧妙相连。在非应激细胞中，DELE1通过TOM/TIM23复合物被输入线粒体基质，随后经线粒体加工肽酶（MPP）和pitrilysin金属肽酶1（PITRM1）进行前序列加工，生成M-DELE1，后者被Lon肽酶1（LONP1）降解。响应线粒体应激时，线粒体内膜（IMM）蛋白酶OMA1被激活，在膜间隙切割DELE1，从而释放一个C端片段（S-DELE1）。S-DELE1易位至胞质并激活HRI，进而启动ISR。值得注意的是，DELE1也能以不依赖OMA1的方式感知和传递发生在线粒体外膜（OMM）的输入应激。当线粒体输入受损时，积累在OMM的完整DELE1前体（L-DELE1）可以直接结合并激活HRI。事实上，调节DELE1的线粒体输入似乎是将DELE1与多种应激（如mtDNA双链断裂和铁缺乏）联系起来的一种机制。
由于ISR的过度或长时间激活会产生适应不良或有害的后果，因此需要对其进行了微调和严格调控。例如，E3泛素复合物SIFI通过靶向DELE1、HRI和未输入的线粒体前体蛋白进行蛋白酶体降解，从而关闭ISR。
总之，DELE1已被确立为一个多模态传感器和中继站，将多种线粒体扰动整合到一个统一的胞质应激反应中。值得注意的是，线粒体也可以通过在线粒体外膜透化（MOMP）期间释放细胞色素c来激活ISR。
线粒体UPR（UPRmt）
虽然UPRmt最早在哺乳动物细胞中被描述，但其通路细节主要在秀丽隐杆线虫中得到研究。在线虫中，UPRmt的激活需要应激激活的转录因子ATFS-1。ATFS-1同时拥有线粒体靶向序列（MTS）和核定位序列（NLS）。在非应激条件下，它被导入线粒体并在基质中被LONP-1降解。然而，当线粒体输入受损时，ATFS-1易位到细胞核，与染色质重塑蛋白DVE-1合作，增加线粒体分子伴侣、蛋白酶和输入因子以及糖酵解酶的转录。相反，呼吸链（OXPHOS）组分的基因表达被ATFS-1下调。最近，发现了ATFS-1在线粒体内的额外功能：它促进DNA聚合酶γ（POLG）与mtDNA的结合，从而增加mtDNA复制，并通过与线粒体碱基切除修复合作来限制mtDNA损伤的积累。
关于线粒体如何将错误折叠应激信号传递给细胞核以及UPRmt与ISR的关系，目前仍在讨论中。有研究使用转录组学和蛋白质组学方法在HeLa细胞中发现，ATF4对于UPRmt的诱导并非必需，这表明UPRmt可以与ISR解偶联。该研究提出，线粒体ROS（mtROS）和胞质中未输入的线粒体前体蛋白的积累激活了UPRmt。氧化的DNAJA1可以募集HSP70到积累在胞质的线粒体前体蛋白上，HSP70继而释放HSF1，未结合的HSF1易位到细胞核驱动UPRmt基因的表达。这项研究突出了HSF1在哺乳动物UPRmt中的作用，并揭示了线粒体和胞质蛋白质稳态调控之间有趣的联系。
核基因表达受线粒体代谢物、肽和RNA的调控
几种线粒体成分已被证明能影响核基因表达。这些信号分子主要影响胞质或核内转录因子的活性。最突出的例子包括激活HIF1α、NRF2、NF-κB和JNK通路的mtROS。此外，AMP/ATP和NAD+/NADH比值以及三羧酸（TCA）循环组分调节着适应性代谢反应的转录程序。
线粒体衍生肽（MDPs）由线粒体基因组中的短开放阅读框（sORFs）编码，可以易位到胞质和细胞核，甚至到达细胞外空间，作为内分泌介质发挥作用，因此被称为mitokines。MOTS-c以AMPK依赖的方式调节核基因表达。它结合抗氧化反应元件和NRF2，在代谢应激下调节核基因表达。在小鼠中，MOTS-c通过调节代谢和热应激反应相关基因的核表达，增加了衰老过程中的体力活动并延长了健康寿命。此外，线粒体RNA（mtRNAs）可以作为逆向信使与细胞核通信。据报道，mtRNAs可以通过直接与核染色质结合来调节核基因表达。
另一种调节线粒体蛋白质组的方式是在OMM进行局部翻译。虽然这一途径在酵母中得到了广泛研究，但其在哺乳动物细胞中的生理相关性和潜在机制长期以来不清楚。最近两项使用邻近特异性核糖体分析的研究解决了这一重要问题。两项研究均揭示，大约20%的人类核编码线粒体蛋白是以共翻译方式输入的。此外，还描述了局部线粒体翻译的两种不同机制。长编码序列（>400 aa）的翻译起始于胞质核糖体，随后核糖体-新生链复合物易位至OMM，在那里继续进行翻译。相比之下，短编码序列基因（<200 aa）似乎以不依赖翻译但依赖mRNA剪接的方式被靶向送到OMM。
从线粒体释放的损伤相关分子模式（DAMPs）
当线粒体受损或处于应激状态时，线粒体可以释放或暴露几种DAMPs，从而诱导先天免疫信号传导、炎症或细胞死亡。基于其蛋白细菌起源，线粒体具有原核生物的特征，例如环状、低甲基化的mtDNA、IMM的特异性脂质组成以及N-甲酰化肽，这些类似于病原体相关分子模式（PAMPs）。当这些线粒体DAMPs被释放或暴露于胞质时，它们可以激活模式识别受体（PRRs），以增强针对细菌和病毒的免疫反应，促进抗肿瘤反应，或在PRRs不适当激活时驱动炎症和自身免疫过程。
mtDNA：释放、感知和应答机制
mtDNA易位到胞质的途径
mtDNA释放到胞质甚至细胞外空间可由多种刺激触发，例如病毒和细菌感染或代谢失衡，并与衰老、细胞衰老以及多种病理状况相关，包括自身免疫、慢性炎症性疾病、代谢和神经退行性疾病。mtDNA从基质易位到胞质不是一个简单的过程，因为mtDNA需要穿过IMM和OMM。目前已发现几种依赖上下文和mtDNA种类（环状或片段化）允许mtDNA释放的可能性，包括BAX/BAK孔、电压依赖性阴离子通道（VDAC）、线粒体通透性转换孔（mPTP）、gasdermin（GSDM）孔和线粒体衍生囊泡（MDVs）。
在凋亡过程中，促凋亡Bcl-2家族成员BAX和BAK通过其成孔活性介导MOMP。BAX和BAK显示出不同的寡聚化特性，并共同组装成高度动态且随时间扩大的孔。BAX和BAK的相对可用性调节孔的增长率以及mtDNA释放的动力学。值得注意的是，BAX和BAK的寡聚化和孔形成受脂质影响。因此，OMM和IMM的脂质也可能直接或间接影响mtDNA的释放。在CICD中，抑制半胱天冬酶会促进BAX/BAK大孔的形成，允许IMM疝入胞质，导致caspase非依赖性细胞死亡（CICD）。IMM是如何被透化以允许mtDNA核仁通过的尚不清楚，但已知此过程不依赖于mPTP。VDAC介导的mtDNA释放似乎在某些炎症小体激活或cGAS/STING激活的条件下起作用，或者在不会触发BAX/BAK孔形成的较轻应激条件下起作用。
GSDMD和GSDME在成孔后果上相似，但被不同的caspase切割。GSDME主要在神经元中经神经毒素处理后被caspase-3和-7切割。在这项研究中，一个N端GSDME片段与线粒体共定位，并诱导线粒体损伤和神经突丢失。GSDMD和GSDME的切割蛋白酶的差异可能解释了它们在特定细胞类型和应激条件下的不同作用。
MDV可以作为mtDNA运输的载体。mtDNA在MDV中的包装可能产生不同的后果。MDV似乎是将mtDNA囊泡分泌到细胞外空间所必需的。MDV也可以将其货物靶向溶酶体进行降解。不同的囊泡途径，包括源自内膜（VDIMs）的内体分选复合物（ESCRT）依赖性囊泡，参与IMM挤出的质量控制。在CICD中，IMM疝入胞质诱导了一种泛素依赖性但PINK1/Parkin非依赖性的线粒体自噬形式。然而，疝出的线粒体向溶酶体的递送仅部分依赖于经典的自噬，表明存在其他溶酶体递送途径。在肾特异性富马酸水合酶缺陷的小鼠模型中，TCA代谢物富马酸的积累以分选连接蛋白9（SNX9）依赖性方式诱导mtDNA被MDV摄取。从这些MDV中，mtDNA通过未知机制逃逸到胞质，通过cGAS/STING和RIG-I激活诱导炎症信号传导。最近的一项研究表明，mtDNA也可以从受损的溶酶体中释放。MAPL过表达诱导细胞焦亡，其通过促进携带mtDNA的MDV的形成，这些MDV靶向一部分溶酶体。MAPL依赖性激活caspase-3/7切割GSDME，后者在溶酶体上形成孔，导致mtDNA从这些溶酶体中释放。胞质mtDNA随后促进cGAS-STING激活和炎症小体驱动的GSDMD切割，这是细胞焦亡所必需的。在mtDNA复制应激或单纯疱疹病毒-1感染时，增大的核仁会离开线粒体，并通过早期和晚期内体运输进行降解。这种内溶酶体途径可能不同于经典的MDV形成，但在运输途中mtDNA负载的内体破裂时也能诱导cGAS/STING激活。
mtDNA和下游先天免疫反应的感知
根据其分子特征和定位，mtDNA激活多种PRRs，如cGAS、NLRP3、ZBP1和TLR9，以促进细胞自主和非细胞自主效应。cGAS感知受感染细胞胞质中存在的细菌和病毒DNA，但也感知受损或应激细胞中的核DNA和mtDNA。cGAS结合dsDNA后，合成第二信使cGAMP，激活内质网膜上的STING。STING发生构象转变，形成寡聚体，并易位至ERGIC和高尔基体，在那里募集激酶TBK1。活化的TBK1磷酸化STING和IRF3。磷酸化的IRF3二聚体易位至细胞核，诱导I型IFNs的表达。该通路通过STING运输至晚期内体区室，随后被涉及自噬体和ESCRT组分的溶酶体降解而关闭。
STING也诱导转录因子NF-κB的激活以调节促炎基因表达，但其机制联系一直不清楚。最近的一项研究揭示了STING和NF-κB信号传导之间的串扰。Zhang等人观察到，STING驱动的NF-κB激活通过IKKε介导的STING S358位点磷酸化而发生，具有延迟的动力学特征。IRF3与该位点的结合促进了向晚期内溶酶体的运输和TRAF6的募集，进而触发NF-κB通路激活。诱导I型IFN和NF-κB信号传导具有启动协同转录程序以实现有效先天免疫反应的优点。
胞质PRRs显然可以区分不同的mtDNA种类，这可能有助于诱导特异性反应。扭转应激促进mtDNA的负超螺旋化和B-mtDNA向Z-mtDNA的转变，后者释放到胞质后被ZBP1感知。ZBP1然后与cGAS、RIPK1和RIPK3结合，诱导STAT1磷酸化和I型IFN信号传导。值得注意的是，缺乏ZBP1或IFN-I信号传导的小鼠受到多柔比星治疗诱导的心脏毒性的保护。
胞质mtDNA也可以激活炎症小体，炎症小体是胞质超分子复合物，可激活caspase-1，进而切割pro-IL-1和pro-IL-18以及其他炎症caspase。特别是，氧化的mtDNA与NLRP3和AIM2炎症小体的激活有关。在髓系细胞中，氧化的mtDNA似乎是触发先天免疫反应的主要DAMP。新合成的、尚未被TFAM屏蔽且位于电子传递链呼吸复合物附近的mtDNA极易被氧化。氧化的mtDNA被瓣状结构特异性内切酶1（FEN1）切割，产生更小的mtDNA片段，这些片段通过mPTP和VDAC到达胞质。成熟的IL-1和IL-18通过浆膜上由GSDMs的N端片段形成的孔分泌出去。炎症小体激活诱导细胞焦亡，细胞焦亡也可以不依赖炎症小体激活而发生。焦亡细胞死亡的特征是通过浆膜中NINJ-1的寡聚化导致浆膜破裂，释放胞质组分，这些组分作为DAMPs诱导炎症反应。通过这条途径，mtDNA到达细胞外空间甚至体循环，从而以非细胞自主的方式促进炎症。这在瞬时条件下可能有益，例如清除病原体或促进组织修复，但也可能通过传播与代谢、神经退行性或自身免疫疾病相关的慢性炎症而产生不利影响。
内体跨膜蛋白TLR9优先结合具有低甲基化CpG基序的DNA片段。TLR9在DNA结合后二聚化，并募集衔接蛋白MyD88，后者募集多种激酶和E3泛素连接酶。这分别激活NF-κB和MAPKs以诱导炎症基因表达，或激活IRF7/IRF3以驱动I型IFN反应。
mtRNA作为危险信号
当释放到胞质时，mtRNA也可以作为危险信号。紧凑mtDNA的双向转录产生重叠的互补转录本，易于形成线粒体双链RNA（dsRNA）结构。在稳态条件下，这些潜在的免疫刺激性dsRNA被限制在线粒体基质中，RNA降解体确保其被清除。mtRNA加工和降解的扰动或mtDNA损伤会导致mt-dsRNA积累及其易位到胞质，在那里它们激活RLR-MAVS信号传导。有缺陷的mtRNA加工会导致mt-dsRNA积累及其以BAX/BAK依赖性方式逃逸到胞质。mt-dsRNA被MDA5感知然后驱动I型IFN表达。mtDNA双链断裂是mt-dsRNA通过BAX/BAK孔释放的另一个触发因素，导致RIG-I/MAVS依赖的I型IFN诱导。此外，mt-dsRNAs易位到胞质已被提出作为衰老细胞的一个共同特征，是其炎症分泌组（称为衰老相关分泌表型，SASP）的催化剂。
mtRNAs如何易位穿过IMM一直不清楚。最近的一项研究报道，腺苷酸转位酶-2（ANT2）作为IMM中的双向RNA易位子，介导mt-dsRNA外流到胞质。
与mtDNA类似，释放的mtRNA可以促进抗肿瘤免疫。化疗诱导的凋亡激活执行者caspase 3和7，它们阻止胞质mtRNA激活MDA5/MAVS通路以驱动I型IFN信号传导。因此，将诱导凋亡的细胞毒性化合物与caspase-3/-7抑制相结合可能是一种增强抗肿瘤免疫和补充抗肿瘤免疫疗法活性的策略。
心磷脂：线粒体脂质危险信号
心磷脂是一种非双层酸性甘油磷脂，主要定位于IMM。作为一种锥形磷脂，其极性头基小，具有四个脂肪酸酰基链，它分配至IMM的负弯曲外叶，面向嵴之间的膜间隙。心磷脂的功能包括诱导和稳定膜负弯曲、稳定呼吸链超复合物以及与蛋白质和小分子（如细胞色素c和钙离子）相互作用。由于不饱和脂肪酸含量高且靠近电子传递链，心磷脂易受ROS介导的氧化。
促凋亡刺激和PAMPs诱导心磷脂从IMM易位到OMM。在凋亡过程中，细胞色素c氧化心磷脂，导致细胞色素c从IMM脱离，并随后通过BAX/BAK孔易位到胞质。心磷脂也调节BAX/BAK孔活性。在细胞焦亡中，心磷脂，特别是氧化的心磷脂，通过募集GSDMD到线粒体来介导线粒体膜损伤。切割的GSDMD被报道通过结合心磷脂被募集到OMM和IMM，以促进mtDNA和其他线粒体成分的释放。Miao等人报告，LPS处理单核细胞或巨噬细胞导致线粒体成分释放以及随后的经典和非经典炎症小体激活、细胞焦亡和炎症细胞因子释放，这依赖于N端GSDMD片段。在他们的研究中，心磷脂合酶（Crls1）或将心磷脂转移至OMM的 scramblase（Plscr3）的基因缺失抑制了炎症反应。
与经典炎症小体不同，非经典炎症
